隧道區(qū)間水泵監(jiān)控后備系統(tǒng)的研究

管亞敏

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 武昌 430063)

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隧道區(qū)間水泵監(jiān)控后備系統(tǒng)的研究

管亞敏

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 武昌 430063)

0　引言

隨著我國(guó)高速鐵路、城際鐵路建設(shè)的發(fā)展，下穿城市、河流、湖泊、高速公路、機(jī)場(chǎng)等區(qū)域的鐵路隧道日益增多，這些隧道一般為倒人字坡型，其滲水均采用廢水泵房集水、動(dòng)力抽排的方案進(jìn)行處理。如果水泵出現(xiàn)故障時(shí)得不到及時(shí)處理、廢水抽排不及時(shí)導(dǎo)致淹沒(méi)股道，就會(huì)嚴(yán)重威脅列車運(yùn)行安全，因此，集水池及水泵的自動(dòng)化監(jiān)控是確保水底隧道正常運(yùn)營(yíng)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

1　鐵路隧道水泵自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)

目前，采用動(dòng)力排水的鐵路下穿隧道基本上都設(shè)計(jì)有水泵自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由集水池和水泵自動(dòng)化監(jiān)控、視頻監(jiān)控、斜井洞口值班室監(jiān)控主站及通信網(wǎng)絡(luò)等組成[1]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　水泵自控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

水泵采用手動(dòng)、遠(yuǎn)程控制和自動(dòng)控制3種方式，正常情況下按照自動(dòng)方式運(yùn)行。為確保可靠運(yùn)行，一般配置4臺(tái)水泵，3用1備，輪換使用，電氣設(shè)計(jì)配置2臺(tái)軟啟動(dòng)裝置，1拖2運(yùn)行。

為提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，系統(tǒng)對(duì)總的關(guān)鍵設(shè)備都進(jìn)行了冗余配置，如主控制器采用硬件冗余型PLC，CPU、內(nèi)存、電源模塊、通訊模塊皆為冗余配置；水位監(jiān)測(cè)采用液位計(jì)和液位視頻監(jiān)視兩套系統(tǒng)；通信系統(tǒng)采用環(huán)形自愈通信網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)環(huán)網(wǎng)上的任意一點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)切換至其他的環(huán)臂上繼續(xù)傳輸，保證通信不中斷，網(wǎng)絡(luò)具有冗余能力。

2　傳統(tǒng)的后備系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鑒于水泵自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的重要性，用戶通常會(huì)要求在自動(dòng)控制系統(tǒng)之外額外設(shè)置一套后備的控制手段，以保證水泵監(jiān)控的安全性和連續(xù)性，同時(shí)也可用于維護(hù)。通常來(lái)說(shuō)，后備系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式有兩種，一種是采用直接電氣控制方式實(shí)現(xiàn)，一種基于自控系統(tǒng)本身實(shí)現(xiàn)后備控制。

2.1直接電氣控制方式

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，直接電氣控制方式就是通過(guò)線纜將操作臺(tái)上的控制按鈕與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的電氣控制端子直接連接，實(shí)現(xiàn)后臺(tái)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程操作[2]，這種后備方式的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、可靠；缺點(diǎn)是一方面需要引入大量的線纜，當(dāng)設(shè)備較多時(shí)不適合集中后備操作且會(huì)增加，成本另一方面受控制線路壓降和分布式電容的影響，此控制方式的距離不能太長(zhǎng)。因此，該方式通常僅作為基于設(shè)備級(jí)的就地后備手段。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2　采用直接電氣控制的后備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2.2基于自控系統(tǒng)自身的后備系統(tǒng)

地鐵和城際鐵路中綜合后備盤(IBP)就是一種常見(jiàn)的基于自控系統(tǒng)自身實(shí)現(xiàn)的后備系統(tǒng)。IBP實(shí)質(zhì)上是一種人機(jī)接口裝置，是對(duì)計(jì)算機(jī)人機(jī)交互方式的備份裝置。當(dāng)發(fā)生人機(jī)界面故障時(shí)，可由IBP盤通過(guò)與控制設(shè)備(PLC)的硬接線直接驅(qū)動(dòng)自控系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備(就地PLC或遠(yuǎn)程I/O)，完成對(duì)被控設(shè)備的有效操作，確保系統(tǒng)的安全運(yùn)行[3]。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3　基于自控系統(tǒng)自身的后備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

在這種方式下，水泵自控系統(tǒng)自身是實(shí)現(xiàn)后備監(jiān)控的基礎(chǔ)，該功能的實(shí)現(xiàn)要通過(guò)直接指揮調(diào)度自控系統(tǒng)而不是設(shè)備。實(shí)際上，后備監(jiān)控功能保障的只是計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)控軟件或計(jì)算機(jī)發(fā)生故障時(shí)，后備系統(tǒng)可以繼續(xù)使用，以保障系統(tǒng)安全運(yùn)行[4]；但當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備或中間的通信設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，這種后備系統(tǒng)卻無(wú)法保障系統(tǒng)能夠安全運(yùn)行。

3　基于遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)量直連模塊的后備系統(tǒng)

對(duì)于鐵路隧道來(lái)說(shuō)，水泵自控系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題影響的是整條鐵路線的運(yùn)行，其重要性絕非一般的自動(dòng)化系統(tǒng)所能相比，因此，即使出現(xiàn)水泵自控系統(tǒng)整體癱瘓的情況，水泵自控系統(tǒng)后備系統(tǒng)的設(shè)計(jì)仍需要確保水泵監(jiān)控依舊能夠正常工作。這就要求：后備系統(tǒng)與水泵自控系統(tǒng)應(yīng)相互獨(dú)立，不依賴于組成自控系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、通信網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場(chǎng)控制器等設(shè)備。如上文所述，采用硬線連接的電氣控制方式可以做到與自控系統(tǒng)之間的相互獨(dú)立，但是無(wú)法克服控制距離較短的缺點(diǎn)，不適用于長(zhǎng)隧道，因此，在綜合已有的后備系統(tǒng)方案的基礎(chǔ)上，提出一種基于遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)量點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸模塊(簡(jiǎn)稱開(kāi)關(guān)量直連模塊)的后備系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，可滿足鐵路水泵監(jiān)控高可靠性的要求。

在該方案中，開(kāi)關(guān)量直連模塊通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)(可以是RS-485、工業(yè)以太網(wǎng)或直連光纜)進(jìn)行開(kāi)關(guān)量信號(hào)傳輸，替代現(xiàn)有基于線纜實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸?shù)慕鉀Q方案。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4　基于遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)量直連模塊的后備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

與傳統(tǒng)解決的方案相比而言，現(xiàn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信號(hào)傳輸不再需要PLC或PC進(jìn)行控制，開(kāi)關(guān)量直連模塊可以自動(dòng)映射所有的物理開(kāi)關(guān)量信號(hào)，無(wú)需進(jìn)行梯形圖或C語(yǔ)言編程。借助開(kāi)關(guān)量直連模塊，輸入信號(hào)通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)或直通光纜即可輕松傳輸至網(wǎng)絡(luò)或光纜另一端，不再需要進(jìn)行編程或使用單獨(dú)的控制器進(jìn)行控制。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、清晰，設(shè)備數(shù)量少，極大地減少了系統(tǒng)故障點(diǎn)，保證了整個(gè)水泵自控系統(tǒng)的高可靠性。

4　結(jié)束語(yǔ)

自動(dòng)化控制技術(shù)的進(jìn)步及新產(chǎn)品的出現(xiàn)使得新的設(shè)計(jì)方案的實(shí)現(xiàn)成為可能。方案中所采用的核心設(shè)備“開(kāi)關(guān)量直連模塊”實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)直聯(lián)輸入/出、數(shù)據(jù)通信和邏輯控制的一體化集成，具有簡(jiǎn)潔、可靠的特點(diǎn)。該后備系統(tǒng)已逐步在高速鐵路、城際鐵路的隧道水泵監(jiān)控中得到推廣、使用，在將來(lái)也會(huì)逐步應(yīng)用到隧道照明監(jiān)控等領(lǐng)域。

[1]周京.水底隧道廢水泵房自動(dòng)化監(jiān)控[J].電氣應(yīng)用，2014(6)：56-58.

[2]曲立東.城市軌道交通環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社,2008.

[3]劉曉娟，林海香，司徒國(guó)強(qiáng).城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)[M].成都：西南交通大學(xué)出版社,2011.

[4]魏曉東.城市軌道交通自動(dòng)化系統(tǒng)與技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2004.

Research on the Water Pump Backup Monitoring System in Tunnel

Guan Yamin

隨著我國(guó)高速鐵路建設(shè)的發(fā)展，采用水泵動(dòng)力排水的鐵路隧道逐步增多。水泵監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于保障水泵正常工作和線路運(yùn)行起著重要的支撐作用。通過(guò)總結(jié)現(xiàn)有水泵監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)施情況，提出了一種提高系統(tǒng)可靠性的新型后備監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，可供借鑒。

PLCIBP鐵路隧道水泵監(jiān)控后備監(jiān)控機(jī)電設(shè)備監(jiān)控

With the development of the high-speed railway construction in China,more and more railway tunnels begin to adopt pumps for drainage.The pump monitoring system plays an important role in securing the normal operation of pumps and the railway line as well.Through summarizing the implementation situation of existing pump monitoring system,a design scheme for the new backup monitoring system is proposed for reference,which is intended to increase the system reliability.

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